ENGRANAJES

Uno de los problemas principales de la Ingeniería Mecánica es la transmisión de movimiento,  entre un conjunto motor y  máquinas conducidas. Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados de madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. 

El inventor de los engranajes en todas sus formas fue Leonardo da Vinci, quien a su muerte en la Francia de 1519, dejó para nosotros sus valiosos dibujos y esquemas de muchas de los mecanismos que hoy utilizamos diariamente.  

La forma más básica de un engrane es una pareja de ruedas, una de ellas provistas de barras cilíndricas y la otra formada por dos ruedas unidas por barras cilíndricas.

En la figura se aprecia un mecanismo para repeler ataques enemigos, consiste de aspas al nivel del techo movidas por un eje vertical, unido a un "engranaje" , el movimiento lo producen soldados que giran una rueda a nivel del piso y provocando que los enemigos que han alcanzado el techo sean expulsados. En este mecanismo se muestra la transmisión entre dos ejes paralelos, uno de ellos es el eje motor y el otro el eje conducido. 

Leonardo se dedica mucho a la creación de máquinas de guerra para la defensa y el ataque, sus materiales son madera, hierro y  cuerdas las que se elaboran en forma rudimentaria, pero sus esquemas e invenciones trascienden el tiempo y nos enseñan las

múltiples alternativas que nos brindan mecanismos básicos de palancas, engranes y poleas unidas entre si en una máquina cuyo diseño geométrico es notable. 

En la segunda figura se puede apreciar la transmisión trasera para un carro, el eje vertical mueve el "engrane" que impulsa las ruedas hacia adelante o atrás. En este mecanismo los ejes están  perpendiculares entre sí.  

Se puede deducir que la posición entre los ejes es de gran importancia al diseñar la transmisión. Las situaciones son principalmente tres: ejes paralelos, ejes que se cortan y ejes que se cruzan. Un ejemplo de esta última situación se aprecia en la figura, en donde una manivela mueve un elemento que llamaremos tornillo sin fin el que a su vez

mueve la rueda unida a él. En este caso, el mecanismo se utiliza como tecle para subir  un balde. Los ejes se encuentran en una posición ortogonal, o sea, se cruzan a 90 grados. 

Los engranes propiamente tales son ruedas provistas de dientes que posibilitan que dos de ellas se conecten entre sí.

CLASIFICACION 

Los engranes se clasifican en tres grupos :

Engranajes Cilíndricos (para ejes paralelos y que se cruzan) Engranajes Cónicos (para ejes que se cortan y que se cruzan)

Tornillo sin fin y rueda helicoidal (para ejes ortogonales)

ENGRANAJES CILINDRICOS

Se fabrican a partir de un disco cilíndrico, cortado de una plancha o de un trozo de barra maciza redonda. Este disco se lleva al proceso de fresado en donde se retira parte del metal para formar los dientes. Estos dientes tienen dos orientaciones : dientes rectos (paralelos al eje) y dientes helicoidales (inclinados con respecto al eje). En las figuras se muestran un par de engranajes cilíndricos y un engrane cilíndrico de diente helicoidal.

   

Los engranajes de diente recto son mas simples de producir y por ello mas baratos, la transmisión del movimiento se realiza por medio de los dientes, quienes se empujan sin resbalar. En el caso de los dientes helicoidales los dientes se empujan y  resbalan entre sí, parte de la energía transmitida se pierde por roce y el desgaste es mayor. La ventaja de los helicoidales es la falta de juego entre dientes que provoca un funcionamiento silencioso y preciso.

Los engranajes cilíndricos se aplican en la transmisión entre ejes paralelos y que se cruzan. En la figura se aprecia una transmisión entre dos ejes que se cruzan, utilizando dos engranajes cilíndricos de diente helicoidal.

   

Los engranajes pueden ser desde muy pequeños hasta muy grandes, para facilitar la puesta en marcha y la detención de un mecanismo es importante que el engranaje tenga poca masa, esto se logra quitando material a la llanta. Puede fabricarse una llanta delgada, con perforaciones o simplemente sacar la llanta y reemplazarla por rayos. En la figura se aprecian tres engranes de distinto tamaño, desde un engrane macizo hasta un engrane con rayos pasando por un engrane con llanta aligerada.

   

El proceso de fabricación es el maquinado con fresas u otro mecanismo de corte, dependiendo del tamaño del engrane. En la figura se aprecia un engrane cilíndrico de diente helicoidal de gran tamaño, durante el proceso de maquinado de dientes.

   

ENGRANES CONICOS

Se fabrican a partir de un trozo de cono, formándose los dientes por fresado de su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. En las figuras se aprecian un par de engranes cónicos para ejes que se cortan y un par de engranes cónicos hipoidales de diente curvo para ejes que se cruzan. Se muestra también la solución de Leonardo para ejes en esta posición.

TORNILLO SIN FIN Y RUEDA HELICOIDAL

Este mecanismo se compone de un tornillo cilíndrico o hiperbólico y de una rueda (corona) de diente helicoidal cilíndrica o acanalada. Es muy eficiente como reductor de velocidad, dado que una vuelta del tornillo provoca un pequeño giro de la corona. Es un mecanismo que tiene muchas

pérdidas por roce entre dientes, esto obliga a utilizar metales de bajo coeficiente de roce y una lubricación abundante, se suele fabricar el tornillo (gusano) de acero y la corona de bronce. En la figura de la derecha se aprecia un ejemplo de este tipo de mecanismo.

En la siguiente figura se aprecia una gata de tornillo accionada por un mecanismo tipo tornillo sin fin y rueda helicoidal, creada a partir de los planos de Leonardo, una manivela manual gira el tornillo que mueve la rueda helicoidal, la cual tiene un agujero roscado con el cual se conecta al eje que sube el peso.

     

IMÁGENES DE DIVERSOS TIPOS DE ENGRANES

CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS ENGRANAJES Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde

los más pequeños usados en relojería e instrumentos científicos (se alcanza el módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc. El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en toques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples mo-vimientos de accionamiento manual. Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero, constituyendo los llamados “reductores o multiplicadores de velocidad” y los “cambios de velocidades”. Una variedad muy interesante de todos estos mecanismos la constituyen los llamados “trenes epicicloidales” y los “diferenciales”.

Cojinetes y rodamientos

Cojinetes

Son puntos de apoyo de ejes y árboles para sostener su peso, guiarlos en su rotación y evitar

deslizamientos.

Los cojinetes van algunas veces colocados directamente en el bastidor de la pieza o máquina,

pero con frecuencia van montados en soportes convenientemente dispuestos para facilitar su

montaje.

Dependiendo del montaje del árbol/eje con los cojinetes, el material del que estén hechos los

cojinetes influye o no a la hora de su colocación, y posterior funcionamiento de toda la

transmisión. Si se consigue mantener continuamente separados el árbol y el cojinete por medio

de una capa de lubricante evitando todo contacto solido entre superficies de deslizamiento,

entonces el material del que están formados no influye en nada sobre dicha calidad. Sin

embargo, el rozamiento fluido depende de unas condiciones de velocidad, carga y temperatura.

De esta manera, para las velocidades bajas (arranque y parada), los cojinetes giran en sentido

de rozamiento mixto cuando no seca, haciendo inevitable el contacto directo entre las

superficies de fricción.

Por lo anteriormente mencionado, se han de tener en cuenta unas cualidades importantes que

ayuden a la construcción de los cojinetes:

El material debe tener un coeficiente de rozamiento reducido.

El material tiene que ser un buen transmisor del calor para que no se produzca una

acumulación excesiva de calor, dañando o perjudicando el ajuste creado.

El material debe poder una cierta dureza que ayude a soportar, sin que se deforme el

cojinete, la carga que puede actuar sobre él.

Clasificación de los cojinetes

Los cojinetes se clasifican en cojinetes de fricción y de rodamiento. En los cojinetes de fricción,

los árboles giran con deslizamiento en sus apoyos.

En los de rodamiento, entre el árbol y su apoyo se interponen esferas, cilindros o conos, logrando

que el rozamiento sea solo de rodadura cuyo coeficiente es notablemente menor.

Por la dirección del esfuerzo que soportan se clasifican los cojinetes en:

Los cojinetes radiales impiden el desplazamiento en la dirección del radio.

Los cojinetes axiales impiden el deslizamiento en la dirección del eje

Los cojinetes mixtos hacen al mismo tiempo el efecto de los cojinetes radiales y

axiales.

Tipos de cojinetes

Clasificación de los cojinetes:

Cojinetes de fricción

Rodamientos

 Cojinetes de fricción

Tienen la ventaja de su marcha tranquila y silenciosa y que pueden construirse partidos en dos,

haciendo posible un montaje y desmontaje radial.

Tienen el inconveniente de que no son indicados en los casos en que se deseen elevado número

de revoluciones, a no ser que la carga que gravita sobre ellos sea mínima.

Clases de cojinetes de fricción.

El tipo más sencillo es cuando el árbol se introduce directamente en un taladro ajustado. Cuando

se prevé la existencia de desgaste se introduce un casquillo. Estos tipos solo se utilizan para

pequeñas cargas y trabajos de poca responsabilidad.

Los más corrientes en la transmisión son:

Cilíndricos fijos

Se compone de una sola pieza de revolución, denominada casquillo. Se emplea cuando el

cojinete no está sometido a grandes desgastes. El problema viene a raíz de que no admite

corrección en el diámetro interior una vez sufre los efectos del desgaste y no se puede emplear

para gorrones intermedios por la imposibilidad de montaje. Estos cojinetes se montan a presión

en su correspondiente montaje.

Cilíndricos ajustables o partidos

El cojinete está constituido por dos mitades cuya superficie común de contacto coincide con un

plano diametral para facilitar el montaje aún en el caso de gorrones intermedios. Permite el

montaje de ejes y árboles con el resto de órganos montados sobre ellos debido a su aplicación

de las dos mitades.

Cónicos ajustables

Se emplea en aquellos montajes que tengan que garantizar un juego entre el árbol y el cojinete.

El cojinete exteriormente es cónico y a medida que se introduce en el agujero cónico de su

soporte irá reduciendo el diámetro interior gracias al Ranurado longitudinal que lleva. Tiene la

ventaja de que se pueden corregir holguras producidas por el desgaste.

Rodamientos

1. Generalidades

Los rodamientos se diseñan para permitir el giro relativo entre dos piezas y para soportar cargas

puramente radiales, puramente axiales o combinaciones de ambas. Cada tipo de rodamiento

presenta unas propiedades que lo hacen más o menos adecuado para una aplicación

determinada. Los rodamientos son unos cojinetes en los que se intercala entre el árbol y el

soporte, una serie de bolas o rodillos que sustituye el rozamiento por fricción por el de rodadura

que es mucho menor. Las ventajas, aparte de esta última comentada, son el calentamiento y el

desgaste son pequeños, admite mayores presiones tanto radiales como axiales y permite

mayores velocidades contribuyendo a la unificación de medidas debido a la normalización.

La fabricación de los cojinetes de bolas es la que ocupa en tecnología un lugar muy especial,

dados los procedimientos para conseguir la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores

fabricantes de ese tipo de cojinetes emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un

tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final no es casi perfecto,

también es atribuida la gravedad como efecto adverso. Las bolas no se o rodillos no se tocan

entre sí porque aumentaría el rozamiento, sino que van separadas mediante una jaula. Las

superficies exterior del aro mayor e interior del aro menos que están en contacto con soporte y

árbol respectivamente se rectifican.

2. Clases de rodamientos

Cada tipo de rodamientos muestra propiedades características, que dependen de su diseño y

que lo hace más o menos apropiado para una aplicación dada.

Rodamientos para cargas radiales

Rodamiento rígido de simple hilera de bolas

Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces

de operara a altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o mantenimiento

en servicio. Estas características, unidas a su bajo coste, hacen a estos rodamientos los más

populares.

Rodamiento de rodillos

Tiene guiados sus rodillos por pestañas en uno de sus aros. El otro aro, que esta libre, no tiene

ninguna pestaña. Esto permite que el eje se desplace axialmente dentro de ciertos límites, con

respecto al soporte. Este rodamiento es adecuado para cargas radiales relativamente grandes y

puede también soportar altas velocidades. El desmontaje es muy fácil, aunque ambos aros estén

montados con ajustes fuertes.

Rodamiento de bolas a rótula

Posee doble fila de bolas guiada por dos pistas de rodadura mecanizadas en el aro interior. Esto

hace que el rodamiento sea autoalineable, permitiéndose desviaciones angulares del eje

respecto al soporte. La pista del aro exterior tiene el centro en el eje del árbol. Este tipo de

rodamiento, además de soportar mayores cargas que el de bolas, se adapta a las flexiones del

árbol.

Rodamiento de rodillos a rótula

Están compuestos por dos hileras de rodillos con un camino de rodadura esférico común sobre el

aro exterior. Cada uno de los dos caminos de rodadura del aro interior está inclinado formando

un ángulo con el eje del rodamiento. Estos rodamientos son autoalineables, pueden soportar

cargas radiales y cargas axiales, y tienen una gran capacidad de carga.

Rodamientos para cargas axiales

Rodamientos de simple efecto

Los rodamientos axiales de simple efecto absorben las fuerzas axiales en un determinado

sentido, desmontándose cuando la fuerza axial actúa en el sentido contrario. Se componen de

dos aros entre los que se interponen las bolas, uno de ellos girando con el árbol y el otro va fijo

al soporte.

Rodamientos de doble efecto

Estos rodamientos tienen la misma aplicación que los de simple efecto salvo que estos absorben

las cargas axiales en ambos sentidos. El aro intermedio es el que va fijo al árbol.

Rodamientos axiales de rodillos a rótula

El rodamiento axial de rodillos a rótula tiene una hilera de rodillos situados oblicuamente, los

cuales, guiados por una pestaña del aro fijo al eje, giran sobre la superficie esférica del aro

apoyado en el soporte. En consecuencia, el rodamiento posee una gran capacidad de carga y es

de alineación automática. Debido a la especial ejecución de la superficie de apoyo de los rodillos

en la pestaña de guía, los rodillos giran separados de la pestaña por una fina capa de aceite. El

rodamiento puede, por lo mismo, girar a una gran velocidad, aun soportando elevada carga.

Contrariamente a los otros rodamientos axiales, éste puede resistir también cargas radiales.

Rodamiento de rodillos cilíndricos de empuje

Son apropiados para aplicaciones que deban de soportar grandes cargas axiales. Además, son

insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio en sentido axial. Son de una sola

dirección.

Rodamientos para cargas mixtas

Rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo

Además del esfuerzo radial, puede soportar cargas axiales en una sola dirección. La capacidad

de carga axial aumenta al hacerlo el ángulo de contacto, que se define como el ángulo que

forma la normal al contacto de la bola con el aro exterior, con la perpendicular al eje del

rodamiento.

Rodamiento de doble efecto y contacto oblicuo

Tiene la misma forma de trabajo que el rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo salvo

que puede soportar cargas axiales en ambos sentidos.

Rodamiento de rodillos cónicos

Constan de dos aros entre cuyas pistas de rodadura son guiados rodillos cónicos. Su capacidad

de carga axial está por el ángulo de la pista de rodadura del aro exterior. Cuanto mayor es este

ángulo, mayor es la capacidad de carga axial del rodamiento.